全自動(dòng)紅棗去核機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王帥，張新聚，趙王斌

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

紅棗富含蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、胡蘿卜素、B族維生素、維生素C、維生素P以及鈣、磷、鐵和環(huán)磷酸腺苷等營(yíng)養(yǎng)成分。其中，維生素C的含量在果品中名列前茅，有維生素王之美稱，具有補(bǔ)血養(yǎng)顏治療失眠之功效。同時(shí)，紅棗口感甘甜，是很多人喜歡的日常食品。但紅棗的棗核質(zhì)地堅(jiān)硬且形狀尖長(zhǎng)，很容易對(duì)食用者造成傷害，尤其對(duì)于老人和孩子來(lái)說(shuō)，更是不安全。河北醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院、河北醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院和河北白求恩國(guó)際和平醫(yī)院等大型醫(yī)院的胃鏡手術(shù)室，幾乎每天都有因棗核卡喉前來(lái)就診的患者。因此，紅棗在食用前去核，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

大棗去核是一項(xiàng)比較棘手且繁雜的過(guò)程，現(xiàn)在主要采用人工去核，或者連桿去核機(jī)、槽式去核機(jī)等簡(jiǎn)易設(shè)備去核，生產(chǎn)效率低，衛(wèi)生條件較差。根據(jù)紅棗去核機(jī)的生產(chǎn)要求，進(jìn)行了全自動(dòng)紅棗去核機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 全自動(dòng)紅棗去核機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

全自動(dòng)紅棗去核機(jī)由篩選系統(tǒng)、上料系統(tǒng)以及去核系統(tǒng)組成。

在篩選系統(tǒng)中，考慮到要把符合加工標(biāo)準(zhǔn)的紅棗篩選出來(lái)至少要經(jīng)過(guò)兩次篩選，所以，本次紅棗去核機(jī)設(shè)計(jì)，把篩選系統(tǒng)分二級(jí)篩選，依次篩選出符合尺寸要求的紅棗。篩選動(dòng)作由連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)網(wǎng)格篩實(shí)現(xiàn)，一級(jí)網(wǎng)格篩先把較小的紅棗篩選出來(lái)，然后，送入二級(jí)篩中，再經(jīng)過(guò)二級(jí)網(wǎng)格篩篩選，把符合標(biāo)準(zhǔn)的紅棗篩選出來(lái)，送入上料系統(tǒng)中。

在上料系統(tǒng)中，需要把紅棗運(yùn)輸?shù)酱庸さ墓の?，方便下一步加工，這就對(duì)紅棗的排序以及定位提出了要求。紅棗上料裝置采用振動(dòng)盤，振動(dòng)盤可以把紅棗準(zhǔn)確地、有序地、排列整齊地輸送到加工工位。紅棗完成了排序工作后，就需要完成定位任務(wù)?？梢赃x擇在振動(dòng)盤的出料口安裝一個(gè)電磁振動(dòng)直線料道，可以把排序好的紅棗繼續(xù)往前運(yùn)輸，在直線料道的另一頭安裝一個(gè)盛紅棗的模具，下一步取出夾持，這樣就完成了紅棗的定位以及排序。紅棗的取出夾持可以簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手來(lái)運(yùn)輸紅棗。機(jī)械手把經(jīng)過(guò)排序定位的紅棗取出，放入去核系統(tǒng)中的下模，這就完成了去核機(jī)上料系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

最后，是去核系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在常見(jiàn)的去核方式是頂針直接把棗核從果肉中頂出來(lái)，這種方式果肉損失率較高。為降低果肉損失率，考慮從加工工藝出發(fā)，先對(duì)待加工的紅棗進(jìn)行一個(gè)頂部劃口動(dòng)作，給紅棗劃一個(gè)口子，讓果核暴露出來(lái)。在去核的時(shí)候，采用分兩步去核，先加工紅棗的一頭，使果肉和棗核分離，然后，把紅棗翻轉(zhuǎn)180°，從另一面施力，將棗核剔除，這種方式可以降低果肉的損失率。優(yōu)化去核刀頭結(jié)構(gòu)，不用之前的去核頂針，根據(jù)加工工藝可以設(shè)計(jì)一個(gè)貼合棗核外形的沖具，避免果肉的過(guò)多損失。去核時(shí)，紅棗需要定位夾緊，選擇上下模的形式，便于紅棗翻轉(zhuǎn)和分兩步去核。

圖1 紅棗去核機(jī)三維設(shè)計(jì)圖

2 去核系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 去核結(jié)構(gòu)方案的選擇

去核機(jī)的設(shè)計(jì)一般分三種：轉(zhuǎn)盤式、輸送帶式和模具式。相對(duì)于轉(zhuǎn)盤式去核機(jī)和輸送帶式去核機(jī)，模具式去核機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，成本大大降低。模具具有夾緊功能，可以保證原料的完整性，可以減少原料的損失。

2.2 去核機(jī)模具的設(shè)計(jì)

模具的設(shè)計(jì)要求：

（1）模具應(yīng)具有較大的承受能力，而且剛性好重量比較輕。模具鋼性的大小直接會(huì)影響工作的穩(wěn)定性、定位的精度和運(yùn)動(dòng)速度。如果模具的剛性比較差，模具在被加緊或者直線運(yùn)行時(shí)，變形會(huì)比較大，就可能發(fā)生震動(dòng)，或者因?yàn)檐浖墓收蠈?dǎo)致不能正常運(yùn)行。所以，為了提高模具的剛度，一般會(huì)采用一些硬度比較高的材質(zhì)。

（2）模具的大小適中，閉合可以?shī)A緊原料，張開又不至于改變?cè)戏较?。模具具有盛放和夾緊原料的功能，因此，夾持裝置（扶正模）下模主視圖為八角形，中空以放原料，中間斷開由彈簧和柱形條連接，柱形條長(zhǎng)于扶正?？障兜闹睆?，通過(guò)沖針外的氣缸爪加緊，然后，沖針進(jìn)行去核。模上下兩個(gè)面有圓形凸起和模板的凹槽固定，以定位。

模具的外徑與上模匹配，中間圓柱形區(qū)域與棗的大小匹配，高度為30mm，壓緊后的直徑為20mm，為了使放入的棗盡量保持豎直方向，模具打開后的直徑為25mm，即中間連接彈簧的直徑為5mm。連接兩段模具和固定彈簧的細(xì)桿要長(zhǎng)于完全打開的縫隙，且不宜過(guò)長(zhǎng)，設(shè)定為9mm。為了更好地使上模夾緊，斜面的角度不宜過(guò)小，過(guò)大也會(huì)延長(zhǎng)模具的長(zhǎng)度，否則，無(wú)法達(dá)到加緊的目的，故斜面斜角設(shè)置為60°。為了達(dá)到節(jié)約果肉的目的，分別對(duì)棗的兩端去核，下模通過(guò)升降機(jī)上下運(yùn)動(dòng)，在沖針上行升降機(jī)下降的時(shí)候，通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動(dòng)手指的配合進(jìn)行夾緊轉(zhuǎn)向，然后，進(jìn)行對(duì)棗另一端的去核運(yùn)動(dòng)。

模具的材料選用首先要滿足工作條件的要求，由于模具要受到夾緊、擠壓等動(dòng)作，因此，需要有足夠的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。同時(shí)，還應(yīng)具有良好的工藝性能，滿足便于加工、加工過(guò)程變形量小等要求。還要滿足經(jīng)濟(jì)性要求，盡可能選用較低價(jià)格的材料，有效地降低生產(chǎn)成本?？梢赃x用價(jià)格較低，應(yīng)用廣泛的45#鋼，零件進(jìn)行表面淬火。

模具三維模型如圖2所示。

2.3 去核機(jī)沖頭的設(shè)計(jì)

為了盡量減少果肉的損失，達(dá)到浪費(fèi)果肉不超過(guò)3%的要求，故去核分為兩個(gè)工位，第一個(gè)工位進(jìn)行果肉和棗核的分離，為了盡量減小開口面積，沖針設(shè)計(jì)成花瓣錐形，具有彈性，進(jìn)入棗后可沿棗核進(jìn)行擴(kuò)張，分離棗的一半，模具翻轉(zhuǎn)分離另一半。所以，沖頭深度約為棗的一半，本次設(shè)計(jì)取15mm。沖頭前端直徑越小進(jìn)入棗后浪費(fèi)的果肉越少，為了能在棗中順利行進(jìn)而不與棗核發(fā)生沖突，故不能太小，此次取5mm，后端略大于棗核最大直徑，可取8～9mm。由于棗核結(jié)構(gòu)小，受力不能太大，應(yīng)選用彈性高的材料，同時(shí)，滿足抗磨損，抗壓不易發(fā)生疲勞，斷裂等現(xiàn)象，60Mn鋼彈性好強(qiáng)度和硬度較高，滿足本次設(shè)計(jì)的基本條件，故選用60Mn鋼作為沖頭的原材料。結(jié)構(gòu)如圖3。

圖2 模具

圖3 分離沖頭

第二個(gè)工位的沖頭為實(shí)體柱形，直徑小于棗核即可，用以將棗核頂出。由于前邊已經(jīng)對(duì)果肉和棗核進(jìn)行過(guò)分離處理，故沖頭直徑在3～5mm皆可，本次設(shè)計(jì)選取5mm為沖核針直徑。長(zhǎng)度選取條件能夠?qū)椇隧敵?，貫通棗?huì)加大破壞果肉結(jié)構(gòu)的概率，取長(zhǎng)度為棗的一半15mm。此沖頭只需滿足硬度高、抗壓能力強(qiáng)等條件，選用常見(jiàn)的45#鋼。三維結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 去核沖頭

3 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的紅棗去核機(jī)，主要使用氣缸提供動(dòng)力，極大地降低了能源浪費(fèi)以及碳排放，減少了對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)，有效提高了紅棗去核加工效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有效改善了食品加工過(guò)程的衛(wèi)生情況，帶來(lái)了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。